Pesquisadores de Rochester relataram uma estratégia para entender como a coerência quântica é perdida para moléculas em solventes com complexidade química total. As descobertas abrem a porta para a modulação racional da coerência quântica através do design químico e da funcionalização. Crédito: Anny Ostau De Lafont
As descobertas podem ser usadas para projetar moléculas com propriedades de coerência quântica personalizadas, estabelecendo a base química para tecnologias quânticas emergentes.
Na mecânica quântica, as partículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo, desafiando a lógica das experiências cotidianas. Esta propriedade, conhecida como superposição quântica, é a base para tecnologias quânticas emergentes que prometem transformar a computação, a comunicação e a detecção. Mas as superposições quânticas enfrentam um desafio significativo: a decoerência quântica. Durante este processo, a delicada superposição de estados quânticos é interrompida ao interagir com o ambiente circundante.
O Desafio da Decoerência Quântica
Para desbloquear o poder da química para construir arquiteturas moleculares complexas para aplicações quânticas práticas, os cientistas precisam compreender e controlar a decoerência quântica para que possam projetar moléculas com propriedades específicas de coerência quântica. Fazer isso requer saber como modificar racionalmente a estrutura química de uma molécula para modular ou mitigar a decoerência quântica. Para tal, os cientistas precisam de conhecer a “densidade espectral”, a quantidade que resume a rapidez com que o ambiente se move e com que intensidade interage com o sistema quântico.
Avanço na medição de densidade espectral
Até agora, quantificar esta densidade espectral de uma forma que reflita com precisão os meandros das moléculas permaneceu ilusório para a teoria e a experimentação. Mas uma equipe de cientistas desenvolveu um método para extrair a densidade espectral de moléculas em solventes usando experimentos simples de ressonância Raman – um método que captura toda a complexidade dos ambientes químicos. Liderada por Ignacio Franco, professor associado de química e física na Universidade de Rochester, a equipe publicou suas descobertas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Ligando a Estrutura Molecular à Decoerência Quântica
Utilizando a densidade espectral extraída, é possível não apenas entender a rapidez com que ocorre a decoerência, mas também determinar qual parte do ambiente químico é a maior responsável por ela. Como resultado, os cientistas podem agora mapear caminhos de decoerência para conectar a estrutura molecular com a decoerência quântica.
“A química se baseia na ideia de que a estrutura molecular determina as propriedades químicas e físicas da matéria. Este princípio orienta o design moderno de moléculas para aplicações médicas, agrícolas e energéticas. Usando esta estratégia, podemos finalmente começar a desenvolver princípios de design químico para tecnologias quânticas emergentes”, diz Ignacio Gustin, estudante de química em Rochester e primeiro autor do estudo.
Experimentos de ressonância Raman: uma ferramenta fundamental
A descoberta ocorreu quando a equipe reconheceu que os experimentos de ressonância Raman produziram todas as informações necessárias para estudar a decoerência com total complexidade química. Tais experimentos são usados rotineiramente para investigar fotofísica e fotoquímica, mas sua utilidade para a decoerência quântica não foi apreciada. Os principais insights surgiram de discussões com David McCamant, professor associado do departamento de química de Rochester e especialista em espectroscopia Raman, e com Chang Woo Kim, agora docente da Universidade Nacional de Chonnam, na Coreia, e especialista em decoerência quântica, enquanto ele foi um pesquisador de pós-doutorado em Rochester.
Estudo de caso: Decoerência de Timina
A equipe usou seu método para mostrar, pela primeira vez, como as superposições eletrônicas na timina, um dos blocos de construção da ADN, desvenda-se em apenas 30 femtossegundos (um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo) após a absorção da luz UV. Eles descobriram que algumas vibrações na molécula dominam as etapas iniciais do processo de decoerência, enquanto o solvente domina as fases posteriores. Além disso, eles descobriram que modificações químicas na timina podem alterar significativamente a taxa de decoerência, com interações de ligações de hidrogênio próximas ao anel de timina levando a uma decoerência mais rápida.
Implicações e aplicações futuras
Em última análise, a pesquisa da equipe abre caminho para a compreensão dos princípios químicos que governam a decoerência quântica. “Estamos entusiasmados em usar esta estratégia para finalmente compreender a decoerência quântica em moléculas com complexidade química total e usá-la para desenvolver moléculas com propriedades de coerência robustas”, diz Franco.
Referência: “Mapeando caminhos de decoerência eletrônica em moléculas” por Ignacio Gustin, Chang Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 de novembro de 2023, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2309987120
